Сетевой уровень Место в модели OSI Прикладной

Сетевой уровень

Место в модели OSI Прикладной Представления Сеансовый Транспортный Сетевой Канальный Сетевой уровень (network layer) объединяет сети, построенные на основе разных технологий • • Ethernet Wi-Fi MPLS ATM, Token. Ring, (устаревшие) FDDI Физический 2

История создания Винтон Серф, Роберт Кан: • Первые выдвинули идею сетевого уровня в 1974 • «Отцы» Интернета • Премия Тьюринга Сетевой уровень - «основа» Интернет 3

Назначение сетевого уровня Мы умеем компьютерами: передавать данные между • Ethernet • Wi-Fi • и многое другое (было раньше)! Зачем нужен еще один уровень? 4

Назначение сетевого уровня Мы умеем компьютерами: передавать данные между • Ethernet • Wi-Fi • и многое другое (было раньше)! Зачем нужен еще один уровень? Проблемы: • Существенные различия технологий канального уровня • Ограничения по масштабируемости 5

Различия сетей Сервис • С гарантией доставки и порядка следования сообщений • С гарантией доставки (Wi-Fi) • Без гарантии доставки (Ethernet) Адресация • Разный размер, плоская, иерархическая Широковещание • Поддерживается или нет Максимальный размер кадра (MTU) • Ethernet – 1500, Wi-Fi - 2304 Формат кадра 6

Согласование различий в сетях Тип сервиса • Кадры из Wi-Fi принимаются с отправкой подтверждения, а в Ethernet отправляются без подтверждений Адресация: • Глобальные адреса, не зависимые от конкретных технологий • Методы преобразования глобального адреса в локальный (ARP для TCP/IP) Широковещание: • Пакеты отправляются всем индивидуальным адресам хостам в сети по 7

Фрагментация Сеть 1, MTU 1 Сеть 2, MTU 2 Сеть 3, MTU 3 Сеть 4, MTU 4 8

Ethernet везде! Ethernet – доминирующая технология канального уровня Wi-Fi – адаптация Ethernet для беспроводной среды: • Формат адресов одинаков • Формат кадра уровня LLC одинаков • Можно обеспечить согласование Wi-Fi и Ethernet без маршрутизации (режим моста Wi-Fi маршрутизатора) • Распределительная система Wi-Fi проводная (сейчас на Ethernet) Почему нельзя строить сети только на Ethernet? 9

Масштабируемость Ethernet Таблица коммутации: • • Должна содержать MAC адреса всех хостов в сети Сколько хостов в Интернет? Сколько памяти нужно для хранения такой таблицы? Как быстро будет осуществляться поиск? Отправка пакетов на все порты: • Если коммутатор не знает, где находится хост, он отправляет кадр на все порты • Сколько «лишних» кадров будет передаваться в Интернет? Отсутствие дублирующих путей между коммутаторами: • STP обнаруживает и отключает дублирующие пути • Активный путь всегда только один 10

STP в локальной сети 4 1 3 8 12 4 8 5 8 12 11

STP в глобальной сети 1 4 Амстердам Екатеринбург 3 4 8 2 4 Санкт-Петербург 8 8 12 Москва 5 8 Челябинск 12 12

Масштабируемость на сетевом уровне Агрегация адресов: • Работа не с отдельными адресами, а с блоками адресов • Блок адресов - сеть Запрет пересылки «мусорных» пакетов: • Пакет отбрасывается, если нельзя определить, куда его нужно отправлять Возможность наличия нескольких путей в сети: • Одна из основных причин создания сетей с пакетной коммутацией • Допускается несколько активных путей • Задача выбора лучшего пути - маршрутизация 13

Задачи сетевого уровня Объединение сетей (internetworking) Маршрутизация Обеспечение качества обслуживания 14

Сети и системы телекоммуникаций. Сетевой уровень Оборудование Уровень модели OSI Оборудование Физический Концентратор Канальный Коммутатор, точка доступа Сетевой Маршрутизатор 15

Маршрутизатор Сеть 1 IP 31 Маршрутизатор 3 IP 11 Маршрутизатор 1 IP 33 IP 12 Маршрутизатор 2 IP 23 Сеть 3 IP 42 Маршрутизатор 4 IP 34 Сеть 2 IP 45 IP 54 Маршрутизатор 5 IP 55 Сеть 5 16

Маршрутизация (routing) – поиск маршрута доставки пакета между сетями через транзитные узлы – маршрутизаторы • Учет изменений в топологии сети • Учет загрузки каналов связи и маршрутизаторов Продвижение (forwarding) – передача пакета внутри маршрутизатора в соответствии с правилами маршрутизации 17

Маршрутизация 18

Маршрутизация 19

Сетевой уровень в TCP/IP Прикладной HTTP SMTP Транспортный TCP ARP Ethernet FTP UDP IP Сетевой Сетевых интерфейсов DNS ICMP DHCP Wi. Fi DSL 20

Итоги Сетевой уровень – третий уровень модели OSI Объединяет сети, построенные на основе разных технологий • Согласование различий в сетях • Масштабирование в рамках всего мира Задачи: • Построение объединенной сети • Маршрутизация Устройства сетевого уровня – маршрутизаторы Протоколы сетевого уровня стека TCP/IP • IP, ICMP, ARP, DHCP 21

Протокол IP 22

IP (Internet Protocol) – межсетевой протокол • internetworking – объединение сетей • internet – объединенная сеть / subnet - подсеть • Internet – название самой крупной объединенной сети Основа сети Интернет 23

Место в моделях OSI и TCP/IP Модель OSI Модель TCP/IP Прикладной Представления Прикладной Сеансовый Транспортный Сетевой Канальный Сетевых интерфейсов Физический 24

Место в стеке протоколов TCP/IP Прикладной HTTP SMTP DNS TCP Сетевой Сетевых интерфейсов UDP IP ARP Ethernet FTP ICMP DHCP Wi-Fi DSL 25

Сервисы IP Передача данных • • без гарантии доставки без сохранения порядка следования сообщений Протокол IP использует передачу данных без установки соединения Задачи IP • Объединение сетей • Маршрутизация • Качество обслуживания 26

Формат заголовка IP-пакета 4 бита Номер Длина версии заголовка 8 бит Тип сервиса 16 бит Идентификатор пакета 8 бит Время жизни 8 бит Тип протокола 16 бит Общая длина 3 бита Флаги 13 бит Смещение фрагмента 16 бит Контрольная сумма 32 бита IP-адрес отправителя 32 бита IP-адрес получателя Опции и выравнивание (не обязательно) 27

Версия IP • Существует две версии IP: 4 и 6 • IPv 4 • Длина IP-адреса 4 байта • Нехватка IP-адресов • Используется сейчас • IPv 6 • Длина IP-адреса 16 байт • Вводится в эксплуатацию 28

Формат заголовка IP-пакета 4 бита Номер Длина версии заголовка 8 бит Тип сервиса 16 бит Идентификатор пакета 8 бит Время жизни 8 бит Тип протокола 16 бит Общая длина 3 бита Флаги 13 бит Смещение фрагмента 16 бит Контрольная сумма 32 бита IP-адрес отправителя 32 бита IP-адрес получателя Опции и выравнивание (не обязательно) 29

Общая длина – длина пакета, включая заголовок и данные Измеряется в байтах Максимальное значение – 65535 байт На практике длина выбирается с учетом размера кадра канального уровня • 1500 байт для Ethernet 30

Формат заголовка IP-пакета 4 бита Номер Длина версии заголовка 8 бит Тип сервиса 16 бит Идентификатор пакета 8 бит Время жизни 8 бит Тип протокола 16 бит Общая длина 3 бита Флаги 13 бит Смещение фрагмента 16 бит Контрольная сумма 32 бита IP-адрес отправителя 32 бита IP-адрес получателя Опции и выравнивание (не обязательно) 31

Время жизни (TTL, Time To Live) – максимальное время, в течение которого пакет может перемещаться по сети Введено для предотвращения «бесконечного» продвижения пакетов Единицы измерения: • Секунды • Прохождение через маршрутизатор(hop) 32

Формат заголовка IP-пакета 4 бита Номер Длина версии заголовка 8 бит Тип сервиса 16 бит Идентификатор пакета 8 бит Время жизни 8 бит Тип протокола 16 бит Общая длина 3 бита Флаги 13 бит Смещение фрагмента 16 бит Контрольная сумма 32 бита IP-адрес отправителя 32 бита IP-адрес получателя Опции и выравнивание (не обязательно) 33

Тип протокола Предназначено для реализации демультиплексирования функции мультиплексирования/ Код протокола, данные которого передаются: • TCP – 6 • UDP – 17 • ICMP - 1 34

Формат заголовка IP-пакета 4 бита Номер Длина версии заголовка 8 бит Тип сервиса 16 бит Идентификатор пакета 8 бит Время жизни 8 бит Тип протокола 16 бит Общая длина 3 бита Флаги 13 бит Смещение фрагмента 16 бит Контрольная сумма 32 бита IP-адрес отправителя 32 бита IP-адрес получателя Опции и выравнивание (не обязательно) 35

Опции Заголовок IP-пакета может включать дополнительные поля: • Записать маршрут • Маршрут отправителя Жесткая маршрутизация Свободная маршрутизация • Временные метки Заполнение: • Опции могут иметь разный размер • Длина заголовка IP-пакета должна быть кратна 32 битам • Для выравнивания до 32 бит поле опций дополняется нулями 36

Итоги Протокол IP (Internet Protocol) – протокол межсетевого взаимодействия Уровень в моделях OSI и TCP/IP: • Сетевой Задачи IP: • Объединение сетей • Маршрутизация Тип сервиса: • Без гарантии доставки • Без сохранения порядка следования сообщений 37

Управляющие протоколы сетевого уровня 38

Место в модели OSI Прикладной HTTP SMTP DNS TCP Сетевых интерфейсов UDP IP Сетевой ARP Ethernet FTP ICMP DHCP Wi. Fi DSL 39

Протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – протокол динамической конфигурации хостов Для работы в сети компьютеру нужен IP-адрес Методы назначения IP-адресов: • Вручную • Автоматически Протокол DHCP позволяет автоматически назначать компьютерам в сети IP-адреса 40

Протокол ARP (Address Resolution Protocol) – протокол разрешения адресов Адреса компьютера в сети: • Сетевой уровень: IP-адрес (192. 168. 10. 43) • Канальный уровень: MAC-адрес (54: BE: F 7: 88: 15: 47) Протокол ARP позволяет определить по IP-адресу компьютера его MAC-адрес 41

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol) – протокол межсетевых управляющих сообщений Сообщения об ошибках в работе сети: • Получатель недоступен • Закончилось время жизни пакета(TTL) • Запрещено тиражировать пакет Тестирование работы сети: • ping (проверка доступности получателя) • traceroute (определение маршрута к получателю) 42

Итоги Протокол передачи данных сетевого уровня: • IP Управляющие протоколы сетевого уровня: • ARP • ICMP • DHCP 43